DE102017222303A1

DE102017222303A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters

Info

Publication number: DE102017222303A1
Application number: DE102017222303.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Meier; Christian Schauz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters vorgeschlagen, durch den Abgase einer Brennkraftmaschine geleitet werden. Nach dem Partikelfilter ist ein Partikelsensor vorgesehen. Weiterhin sind Mittel vorgesehen die die Brennkraftmaschine in einen Testbetrieb bringen in dem die Brennkraftmaschine zeitlich begrenzt so betrieben wird, dass gegenüber einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eine erhöhte Anzahl von Partikeln im Abgas erzeugt. Die Mittel werten eine Reaktion des Partikelsensors auf den Testbetrieb aus.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters. Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2014 209 840 A1 ist bereits ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters bekannt, bei dem ein Differenzdruck eines Partikelfilters, d. h. ein Druck vor und nach dem Partikelfilter ausgewertet wird Weiterhin ist die Verwendung von Partikelsensoren nach dem Partikelfilter zur Überwachung der Funktion des Partikelfilters bekannt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass in einem zeitlich definierten Testbetrieb künstlich eine erhöhte Anzahl von Partikeln im Abgas erzeugt werden und während dieser Phase eine Reaktion des Partikelfilters ausgewertet wird. Es können so auch geringe Veränderungen des Partikelfilters, insbesondere auch Teilschädigungen des Partikelfilters erkannt werden. Durch die Verwendung eines derartigen Testbetriebs kann auch bei relativ unempfindlichen Partikelsensoren eine hochgenaue Diagnose der Funktion des Partikelfilters sichergestellt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Im Testbetrieb soll eine ausreichende Anzahl an Partikeln über einen solchen Zeitraum erzeugt werden, dass ein geschädigter Partikelfilter im Rahmen der Messgenauigkeit des Partikelsensors zuverlässig erkannt werden kann. Weiterhin sollte die Anzahl so gewählt werden, dass bei einem intakten Partikelfilter zumindest ein gewisses Messsignal des Partikelsensors erhalten wird, so dass auch durch das Signal des Partikelsensors der Testbetrieb erkennbar ist. Dieses Signal des Partikelsensors soll dabei aber eindeutig unterhalb eines Schwellwertes liegen, wenn der Partikelfilter in Ordnung ist. Wenn der Partikelfilter hingegen eine Schädigung aufweist, so wird das Signal des Partikelsensors über dem Schwellwert liegen. Im Testbetrieb wird beispielsweise gegenüber dem Normalbetrieb die Einspritzung von Kraftstoff dahingehend verändert, dass mindestens eine Einspritzung in der Nähe des Zündzeitpunktes erfolgt. Der derartig spät eingespritzte Kraftstoff wird insbesondere zur Erzeugung von Rußpartikeln beitragen. Insgesamt soll der Testbetrieb aber so ausgelegt sein, dass keine gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte von Abgasemissionen und On-Board-Diagnose-Grenzwerten überschritten werden. Dies gilt sowohl für einen bestimmten Fahrzyklus wie auch während des laufenden Betriebs.
Es zeigen

1 eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem Partikelfilter und einem nach dem Partikelfilter angeordneten Partikelsensor und
2 Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Erfindung
In der 1 wird ein Abgassystem mit einem Partikelfilter 1 und einem Endschalldämpfer 5 dargestellt. Abgase von einer Brennkraftmaschine werden durch eine Abgaszuführung 10 zu dem Partikelfilter 1 geleitet, durchströmen den Partikelfilter 1, durchströmen danach ein Abgasverbindungsrohr 11, dann den Endschalldämpfer 5 und werden dann durch die Abgasabführung 12 an die Umwelt abgegeben. Durch das Durchströmen durch den Partikelfilter 1 werden im Abgas enthaltene Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert, so dass dem Endschalldämpfer 5 durch das Abgasverbindungsrohr 11 nur Abgas zugeführt wird, welches weitgehend partikelfrei ist. Im Endschalldämpfer 5 erfolgt dann eine akustische Dämpfung, damit die Abgase beim Austritt durch die Abgaswegführung 12 nur einen geringen bzw. zumindest verringerten Geräuschpegel erzeugt.
Unter anderem um zu erkennen, wie viele Partikel bereits in dem Partikelfilter 1 durch Filterung aus dem Abgas gespeichert wurden, ist ein Differenzdrucksensor 2 vorgesehen. Durch Auswertung des Differenzdruckes vor und nach dem Partikelfilter im Abgasstrom kann beurteilt werden, wie viele Partikel bereits in dem Partikelfilter 1 enthalten sind, da die in dem Partikelfilter 1 enthaltenen Partikel, den für die Durchströmung zur Verfügung stehenden Querschnitt verringern und somit der Druckabfall über dem Partikelfilter 1 ein Maß für die Beladung, d.h. für die Menge der im Partikelfilter 1 enthaltenden Partikel ist. Der Differenzdrucksensor 2 ist dazu mit einer ersten Druckleitung 3 mit der Abgaszuführung 10 vor dem Partikelfilter und mit einer zweiten Druckleitung 4 mit dem Abgasverbindungsrohr 11 nach dem Partikelfilter 1 verbunden. Der Differenzdrucksensor 2 enthält eine Membran, deren Auslenkung von dem relativen Druck in der ersten Druckleitung 3 und der zweiten Druckleitung 4 abhängt und erzeugt ein entsprechendes Differenzdrucksignal. Wenn aufgrund des Signals des Differenzdrucksensors 2 festgestellt wird, dass der Partikelfilter 1 eine große Menge an Partikeln enthält, so kann abhängig von weiteren Randbedingungen ein sogenannter Regenerationsprozess eingeleitet werden, bei dem die in dem Partikelfilter 1 enthaltene Partikel durch eine Oxidation verbrannt werden, d.h. in gasförmiger Produkte überführt werden. Um diese Regeneration d.h. das Verbrennen der im Partikelfilter 1 enthaltenen Partikeln vorzunehmen, muss im Partikelfilter 1 eine entsprechende Temperatur erzeugt werden, und dass durch die Abgaszuführung 10 zugeführte Abgas muss noch eine ausreichende Menge an Sauerstoff enthalten, um die Oxidation im Partikelfilter 1 vorzunehmen. Durch entsprechende Steuerung der Brennkraftmaschine können derartige Regenerationsprozesse durchgeführt werden.
In der 1 ist weiterhin dargestellt, dass nach dem Partikelfilter 1 ein Partikelsensor 20 angeordnet ist. Der Partikelsensor 20 ist somit im Abgasverbindungsrohr 11 zwischen dem Partikelfilter 1 und dem Endschalldämpfer 5 angeordnet und misst daher die noch im Abgasstrom enthaltenen Partikel, nachdem der Abgasstrom den Partikelfilter 1 durchflossen hat. Derartige Partikelsensoren 20 dienen dazu, eine Schädigung bzw. einen Ausbau des Partikelfilters 1 zu erkennen, der dann die während der Verbrennung erzeugten Rußpartikel noch im Abgas enthalten sind und von dem Partikelsensor 20 nachgewiesen werden können.
Problematisch ist dabei, dass derartige Partikelsensoren 20 in der Regel nur eine geringe Sensitivität aufweisen. Insbesondere bei der Verwendung bei Benzinmotoren bzw. Otto-Motoren ist aber die Anzahl der während der Verbrennung erzeugten Partikel oder Rußpartikel sehr gering, so dass die bereits von Dieselmotoren bekannten Partikelsensoren im Verhältnis zur Menge bei einem Benzinmotor entstehenden Partikel relativ unempfindlich sind. Derartige Partikelsensoren 20 sind daher in der Regel nur geeignet, eine sehr starke Schädigung des Partikelfilters 1 oder einen Komplettausbau des Partikelfilters 1 festzustellen. Wenn es aber nur zu einer Teilschädigung des Partikelfilters 1 kommt, so reicht die Messempfindlichkeit der Partikelsensoren 20 in der Regel nicht aus, um eine derartige Teilschädigung des Partikelfilters 1 zu erkennen.
Zu einer derartigen Teilschädigung kann es kommen, wenn der Partikelfilter 1 nur an einzelnen Stellen, beispielsweise thermisch überlastet wurde und es an den Stellen, an denen diese thermische Überlast auftrat, zu einer Schädigung, beispielsweise einem Durchschmelzen des Materials, thermischen Spannungsrissen des Filtermaterials oder durch eine Materialumlagerung zu einer Vergrößerung der Filterporen kam. Um nun trotz der relativ unempfindlichen Partikelsensoren 20 auch eine Teilschädigung des Partikelfilters 1 zuverlässig nachweisen zu können, wird erfindungsgemäß ein besonderer Testbetrieb vorgeschlagen, in dem auch mit relativ unempfindlichen Partikelsensoren eine Teilschädigung des Partikelfilters 1 zuverlässig erkannt werden kann.
Der Testbetrieb besteht darin, dass die Brennkraftmaschine zeitlich begrenzt in einen Testbetrieb gebracht wird, indem eine erhöhte Anzahl an Partikeln im Abgas der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
Ein derartiger Testbetrieb kann natürlich nur von Zeit zu Zeit oder bei einer vermuteten Schädigung des Partikelfilters 1 durchgeführt werden, da ein derartiger Testbetrieb an sich für den Betrieb des Motors und die Umwelt nachteilhaft sein kann. Ein zu langer Testbetrieb erhöht daneben die im Filter gesammelte Rußmenge und führt zu einem erhöhten Regenerationsbedarf. Durch die erhöhte Anzahl an Partikeln, die während des Testbetriebs von der Brennkraftmaschine erzeugt werden, wird die geringe Empfindlichkeit der Partikelsensoren kompensiert und es lässt sich während dieses Testbetriebs auch eine Teilschädigung des Partikelfilters 1 sicher erkennen. Besonders einfach kann ein derartiger Testbetrieb dadurch realisiert werden, dass die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine beeinflusst wird, insbesondere wird dazu die eingespritzte Kraftstoffmenge auf eine erhöhte Anzahl von Einspritzungen aufgeteilt und es erfolgt dabei zumindest eine Einspritzung kurz vor dem Zündzeitpunkt oder sogar kurz nach dem Zündzeitpunkt. Die derzeit spät eingespritzte Kraftstoffmenge kann dabei nicht an dem normalen Verbrennungsprozess teilnehmen und führt zu einer erhöhten Rußbildung, die sich in einer entsprechenden Anzahl an Rußpartikeln im Abgas der Brennkraftmaschine äußert.
Der Testbetrieb hängt natürlich von den weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ab. Wenn die Brennkraftmaschine mit einer großen Kraftstoffmenge betrieben wird (beispielsweise große Last), so wird im Testbetrieb natürlich auch eine sehr große Menge an Rußpartikeln erzeugt und der Testbetrieb kann entsprechend zeitlich kürzer ausfallen. Wenn die Brennkraftmaschine nur mit einer geringen Kraftstoffmenge betrieben wird, muss der Testbetrieb entsprechend zeitlich länger andauern. Bedingt durch die Arbeitsweise der Partikelsensoren 20 muss eine bestimmte Menge an Partikeln erzeugt werden, bevor der Partikelsensor 20 ein stabiles Signal liefert.
Bei Dieselmotoren verwendete Partikelsensoren 20 arbeiten üblicherweise dadurch, dass auf einem Substrat Elektroden angeordnet sind und durch Rußpartikel, die sich auf dem Partikelsensor anordnen, eine Änderung d.h. eine Erhöhung der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden ergibt. Wenn die Leitfähigkeit dann einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Partikelsensor 20 geheizt und so die niedergeschlagenen Rußpartikel wieder entfernt. Das Messsignal des Partikelsensors besteht somit darin, wie schnell sich die Leitfähigkeit nach einem Heizprozess verändert. Andere bekannte Prinzipien arbeiten z. B. durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen Elektroden oder nutzen einer optischen Erkennung von Rußpartikeln durch Laserstrahlen.
Die im Testbetrieb erzeugten Partikel sollten dieser Messcharakteristik der Partikelsensoren und dem Filterverhalten des Partikelfilters 1 Rechnung tragen. Die Menge der im Testbetrieb erzeugten Rußpartikel sollte daher so groß gewählt sein, dass bei einer klar unzulässigen Teilschädigung des Partikelfilters 1 das Messsignal am Partikelsensor 20 einen Schwellwert eindeutig überschreitet. Dies bedeutet beispielsweise, dass nach dem Start des Testbetriebs in relativ kurzer Zeit ein eindeutiges Messsignal am Partikelsensor 20 erkannt wird, wodurch eindeutig eine Teilschädigung des Partikelfilters 1 erkannt wird. Bei einem einwandfreien Partikelfilter 1 wird jedoch beim starken Auftreten von Rußpartikeln trotzdem eine geringe Restmenge an Partikeln durch den Partikelfilter 1 hindurchfließen können und den Partikelsensor 20 erreichen. Optimalerweise sollte der Testbetrieb so ausgelegt sein, dass zumindest ein kleines Messsignal am Partikelsensor 20 gemessen werden kann, welches allerdings bei einem Normalbetrieb nicht auftreten würde. Es könnte so durch das Messsignal des Partikelsensors 20 unter einem Schwellwert für einen fehlerhaften Partikelfilter 1 erkannt werden, dass der Testbetrieb ordnungsgemäß durchgeführt wurde. Es kann so durch das Signal des Partikelsensors 20 gleichzeitig erkannt werden, dass der Partikelfilter 1 in Ordnung ist und dass der Testbetrieb auch ordnungsgemäß erfolgt ist.
In der 1 wird zusätzlich noch ein Steuergerät 6 gezeigt, welches zumindest die Signale des Partikelsensors 20 hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens auswertet. Es kann sich dabei um ein Steuergerät nur zur Auswertung der Signale des Partikelfilters 20 handeln. Als eine Möglichkeit handelt es sich bei dem Steuergerät 6 um ein Motorsteuergerät, welches nicht nur die Signale des Partikelsensors 20 auswertet, sondern auch die Signale des Differenzdrucksensors 2 und weiterer für die Steuerung der Brennkraftmaschine erforderlichen Signale und entsprechende Stellglieder der Brennkraftmaschine ansteuert. Dieses Steuergerät 6 insbesondere in der Ausbildung als Motorsteuerung nimmt somit alle Steuerungsaufgaben wahr, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren.
Durch eine derartige Motorsteuerung 6 kann auch sichergestellt werden, dass während des Testbetriebs neben der erhöhten Erzeugung von Rußpartikeln keine weiteren Parameter des Abgases negativ beeinflusst werden. Die von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase sollen ja neben der Vermeidung von Rußpartikeln noch weiteren Anforderungen hinsichtlich Stickoxiden und verbrannten Kohlenwasserstoffen und CO2-Emissionen genügen. Durch eine Motorsteuerung 6 wird ein entsprechendes Ansteuerverfahren bzw. entsprechende Betriebsbedingungen, die einen derartigen Testbetrieb erlauben, erkannt, in denen es möglich ist, nur erhöhte Rußpartikel zu erzeugen, ohne die anderen Parameter des Abgases zu nachteilhaft zu beeinflussen.
In der 2 werden einzelne Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert. In einem ersten Verfahrensschritt 100 erfolgt eine Entscheidung, dass ein Testbetrieb zur Erkennung einer Teilschädigung des Partikelfilters 1 durchgeführt wird. Eine derartige Entscheidung kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine bzw. des Partikelfilters 1 fallen. Aufgrund der damit verbundenen Nachteile wird ein derartiger Testbetrieb nicht kontinuierlich erfolgen, sondern nur von Zeit zu Zeit.
Wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, so könnte ein derartiger Testbetrieb abhängig von der Kilometerleistung des Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine eingebaut ist, als notwendig erachtet werden. Weiterhin wird in dem Verfahrensschritt 100 überprüft, ob die notwendigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Testbetriebs vorliegen. Es kann beispielsweise sein, dass ein Testbetrieb nur in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise kontinuierliche Last auf einer Autobahn sinnvoll ist. Wenn aufgrund der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine ein derartiger Test wieder notwendig ist, so gibt es ein Fenster beispielsweise von 500 Kilometern, in denen dieser Test nur dann durchgeführt wird, wenn optimale Betriebsbedingungen für den Test vorliegen. Erst wenn diese zusätzliche Betriebsdauer verstrichen ist, ohne dass ein Testbetrieb realisiert wurde, werden auch weniger vorteilhafte Betriebsbereiche für einen Testbetrieb verwendet.
Wenn im Schritt 100 dann die Entscheidung gefällt wurde, dass ein Testbetrieb durchgeführt wird, so erfolgt im Schritt 200 der Testbetrieb dahingehend, dass die entsprechende stärkere Erzeugung von Partikeln im Abgas gestartet wird. Zuvor kann noch ein Heizbetrieb des Partikelsensors 20 durchgeführt werden, wodurch eine neue Messperiode des Partikelsensors 20 gestartet wurde. Während des Testbetriebs wird dann mitprotokolliert, welche Menge an Partikeln durch die Brennkraftmaschine erzeugt wurden und es wird überprüft, ob nun ein Messsignal an dem Partikelsensor 20 auftreten soll. Wenn es dabei zu früh zu einem deutlich messbaren Signal am Partikelsensor 20 kommt, so hat der Partikelfilter 1 ein unzureichendes Filtervermögen und es liegt eine Teilschädigung des Partikelfilters 1 vor. Wenn nach einer vorgegebenen Zeit bzw. Anzahl an erzeugten Partikeln immer noch kein messbares Signal am Partikelsensor 20 gemessen werden kann, so ist von einem ausreichenden Filtervermögen des Partikelfilters 1 auszugehen und der Partikelfilter 1 wird daher als in Ordnung bewertet.
Alternativ kann auch einfach das Signal des Partikelsensors 20 nach einer vorgegebenen Zeit bzw. Anzahl von Partikeln ausgewertet werden. Wenn dabei das Messsignal des Partikelsensors 20 über einem Schwellwert liegt, so ist von einer Teilschädigung des Partikelfilters 1 auszugehen. Wenn das Signal des Partikelsensors 20 unter einem Schwellwert liegt, so ist der Partikelfilter 1 in Ordnung. Vorteilhafter Weise lässt sich am Partikelsensor 20 jedoch jeweils ein Minimalmesssignal nachweisen, welches einen Hinweis darauf gibt, dass im Abgas mehr Partikel als in einem Normalbetrieb enthalten waren. Wenn eine derartige Erkennung möglich ist, so wird damit auch die erfolgreiche Durchführung des Testbetriebes bestätigt.
Im Schritt 300 wird dann das Verfahren durch Absetzen einer entsprechenden Fehlermeldung bei einer Teilschädigung des Partikelfilters oder mit einem Eintrag eines erfolgreich durchgeführten Tests bei dem kein Fehler gefunden wurde beendet. Der Eintrag eines erfolgreichen Tests ohne festgestelltem Fehler des Partikelfilters 1 enthält auch einen Zeitpunkt oder Kilometerstand welches als Information für den Schritt 100 zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014209840 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters durch den Abgase einer Brennkraftmaschine geleitet werden, wobei nach dem Partikelfilter ein Partikelsensor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine in einen Testbetrieb gebracht wird in dem sie zeitlich begrenzt so betrieben wird, dass gegenüber einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eine erhöhte Anzahl von Partikeln im Abgas erzeugt werden und eine Reaktion des Partikelsensors auf den Testbetrieb ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb eine Anzahl an Partikeln über einen solchen Zeitraum erzeugt werden dass der Partikelsensor bei einem geschädigten Partikelfilter durch den Partikelsensor nachgewiesen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbetrieb in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine lang genug ist um ein stabiles Signal des Partikelsensor zu erhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb der Partikelfilter als in Ordnung bewertet wird wenn die durch den Partikelsensor bestimmte Menge an Partikel unter einem Schwellwert liegt und der Partikelfilter als nicht in Ordnung bewertet wird wenn die durch den Partikelsensor bestimmte Menge an Partikel über einem Schwellwert liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb im Vergleich zum Normalbetrieb mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff nahe an den Zündzeitpunkt verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb weitere Abgaswerte berücksichtigt werden und die Abgase der Brennkraftmaschine so eingestellt werden, dass weitere Abgasgrenzwerte berücksichtigt werden.
Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion eines Partikelfilters durch den Abgase einer Brennkraftmaschine geleitet werden, wobei nach dem Partikelfilter ein Partikelsensor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind die die Brennkraftmaschine in einen Testbetrieb bringen in dem die Brennkraftmaschine zeitlich begrenzt so betrieben wird, dass gegenüber einem normalen Betrieb der Brennkraftmaschine eine erhöhte Anzahl von Partikeln im Abgas erzeugt und das die Mittel eine Reaktion des Partikelsensors auf den Testbetrieb auswerten.